基于空口丟包的VoLTE 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與感知提升研究

賈英杰，梁松柏，劉亞柯，李麗霞，衡麗花

（1.北京華信東方科技有限公司，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)聯(lián)通河南省分公司，河南 鄭州 450008；3.中國(guó)聯(lián)通洛陽(yáng)市分公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

長(zhǎng)期演進(jìn)語(yǔ)音承載（Voice over Long-Term Evolution，VoLTE）業(yè)務(wù)用以解決5G 到來(lái)后的語(yǔ)音承載問(wèn)題。然而，VoLTE 業(yè)務(wù)在推廣過(guò)程中面臨各級(jí)網(wǎng)元協(xié)議流程沖突、網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題頻發(fā)且定界定位難、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和業(yè)務(wù)感知標(biāo)準(zhǔn)門限重定義以及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量用戶感知提升難度大等問(wèn)題。如何快速、系統(tǒng)地解決針對(duì)VoLTE 業(yè)務(wù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升這一當(dāng)前主要矛盾，是當(dāng)前各運(yùn)營(yíng)商面臨的挑戰(zhàn)。

本文以VoLTE 業(yè)務(wù)“接得通、接得快、聽(tīng)得清、不掉話”感知提升為目標(biāo)，從原理和影響因素分析入手，以影響VoLTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量瓶頸的數(shù)據(jù)丟、棄包為抓手，進(jìn)行根因分析研究，以求探索出一條筑牢基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、快速提升VoLTE 業(yè)務(wù)感知的體系化方法。

1 原理分析

1.1 原理分析

1.1.1 VoLTE 語(yǔ)音原理

VoLTE 是基于IP 多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS），在現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)上使用SIP/SDP作為控制面（Control plane）信令協(xié)議和RTP/RTCP作為語(yǔ)音媒體層面（Media plane）協(xié)議，形成的語(yǔ)音服務(wù)（控制和媒體層面）作為數(shù)據(jù)流在LTE 數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)中傳輸。由于VoLTE 數(shù)據(jù)包采用頭包壓縮功能，因此能更有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬。

1.1.2 VoLTE 語(yǔ)音特點(diǎn)

VoLTE 語(yǔ)音業(yè)務(wù)與普通的上網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相比，用戶面時(shí)延要求更高，對(duì)帶寬的需求不高，有如下幾點(diǎn)差異。

（1）VoLTE 業(yè)務(wù)為非確認(rèn)模式，而非實(shí)時(shí)類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為確認(rèn)模式。非確認(rèn)模式下，不能正常解調(diào)的數(shù)據(jù)包將直接丟棄，這是引起語(yǔ)音感知不好的關(guān)鍵因素所在。而非實(shí)時(shí)類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，丟包之后可以重傳。

（2）VoLTE 業(yè)務(wù)要求端到端（E2E）丟包率小于1%，丟包過(guò)大會(huì)導(dǎo)致VoLTE 業(yè)務(wù)掉話、吞字、斷續(xù)等。另外，干擾對(duì)語(yǔ)音業(yè)務(wù)會(huì)更敏感。

（3）VoLTE 時(shí)延抖動(dòng)敏感，抖動(dòng)大（時(shí)延過(guò)長(zhǎng)）易造成語(yǔ)音數(shù)據(jù)包丟棄。

（4）VoLTE 對(duì)時(shí)延大，溝通會(huì)有延遲感；可以針對(duì)性地調(diào)整QCI=1 的層一、層二參數(shù)和定時(shí)器。

（5）VoLTE 業(yè)務(wù)對(duì)切換敏感，頻繁切換會(huì)影響語(yǔ)音質(zhì)量。

（6）VoLTE 較數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加10 多個(gè)VoLTE特性和70 多個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)。

1.2 感知根因分析

VoLTE 用戶業(yè)務(wù)感知感受主要體現(xiàn)在打電話能否接通、聽(tīng)得清以及是否經(jīng)常掉話。用戶業(yè)務(wù)感知對(duì)應(yīng)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計(jì)主要表征在時(shí)延是否過(guò)長(zhǎng)、丟包是否過(guò)大。

為找出影響VoLTE 質(zhì)量和感知的無(wú)線網(wǎng)關(guān)鍵因素，本文以與語(yǔ)音感知密切相關(guān)的編碼、時(shí)延與抖動(dòng)、丟包為切入點(diǎn)，分析無(wú)線側(cè)根因如下。

1.2.1 編碼分析

根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）協(xié)議定義，用戶終端（User Equipment，UE）和IMS 中的媒體面網(wǎng)元必須支持AMR-NB 和AMR-WB 語(yǔ)音編碼以及這8種編碼模式的所有子集［1］。其中，AMR-NB 即從4.75 kb·s-1到12.2 kb·s-1，幀長(zhǎng)20 ms，采樣率為8 kHz，因此，一個(gè)語(yǔ)音幀采樣160 個(gè)點(diǎn)。AMR-WB編碼從6.6 kb·s-1到23.85 kb·s-1，幀長(zhǎng)20 ms，采樣率為16 kHz，因此，一個(gè)語(yǔ)音幀采樣320 個(gè)點(diǎn)。

為確保感知，現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)選AMR-WB 的23.85 kb·s-1的語(yǔ)音編碼速率，覆蓋邊緣可啟動(dòng)自適應(yīng)低速語(yǔ)音編碼，可減少數(shù)傳壓力和丟包。VoLTE 通話感知主要受對(duì)端終端能力、駐留網(wǎng)絡(luò)下層封裝協(xié)議、傳輸編碼及調(diào)度處理機(jī)制等因素影響，因此應(yīng)用層的語(yǔ)音編碼不是影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在功率資源不足的前提下可降低語(yǔ)音編碼速率。

1.2.2 時(shí)延抖動(dòng)

時(shí)延抖動(dòng)是指時(shí)延變化。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延抖動(dòng)不敏感。語(yǔ)音業(yè)務(wù)和視頻業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延及抖動(dòng)比較敏感。抖動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)中的隊(duì)列或緩沖相關(guān)。

語(yǔ)音抖動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)相關(guān)。時(shí)延是指一個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)間，主要包含空口、傳輸以及核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延等。抖動(dòng)是指數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間長(zhǎng)短的變化。當(dāng)語(yǔ)音時(shí)延大于200 ms，通話雙方一般采用半雙工模式。另外，如果網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)較為嚴(yán)重，部分語(yǔ)音包會(huì)被丟棄，就產(chǎn)生斷續(xù)及失真現(xiàn)象。而且，抖動(dòng)是隨機(jī)產(chǎn)生的。當(dāng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)混合傳輸，抖動(dòng)的產(chǎn)生就不可避免。

時(shí)延抖動(dòng)一般發(fā)生在大數(shù)據(jù)包或低速率鏈路排隊(duì)場(chǎng)景，同時(shí)因遲到數(shù)據(jù)包丟棄影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中反映為丟（棄）包。

1.2.3 丟包分析

丟包（Packet loss）是指一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包（packet）的數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從一端傳輸至另一端［2］，包含兩部分：一是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)棄包，在測(cè)量周期內(nèi)，因基站資源不足、調(diào)度不及時(shí)導(dǎo)致VoLTE 數(shù)據(jù)包被基站（eNodeB）主動(dòng)丟棄刪除；二是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)丟包，因?yàn)楦蓴_、弱覆蓋、無(wú)線環(huán)境差等造成數(shù)據(jù)包丟失或無(wú)法正常解調(diào)。

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中丟包率門限為1%。丟包超過(guò)1%，則丟包過(guò)大，會(huì)引起無(wú)法接通、時(shí)延增加、斷續(xù)、掉話、聽(tīng)不清等問(wèn)題。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行也證明了這個(gè)結(jié)論，外場(chǎng)實(shí)地某市分公司近萬(wàn)個(gè)小區(qū)統(tǒng)計(jì)，丟包引起的VoLTE 業(yè)務(wù)質(zhì)量差問(wèn)題占比達(dá)80%～90%。

因此，分析VoLTE 語(yǔ)音質(zhì)量的四大影響因素，發(fā)現(xiàn)其他因素都與丟包相關(guān)，最終定位丟包是引起VoLTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和感知差的根本原因。

1.3 丟包原因分析

以某市全量小區(qū)為樣本，剔除外部干擾及話務(wù)為0 小區(qū)，分析丟包與重疊覆蓋、底噪抬升（上行非外部干擾）以及業(yè)務(wù)資源負(fù)荷之間的關(guān)系，以找到影響丟包的關(guān)鍵原因。

1.3.1 重疊覆蓋與丟包率

重疊覆蓋度主要影響下行丟包率。當(dāng)重疊覆蓋度大于25%時(shí)，下行丟包率大于0.5%。同時(shí)，重疊覆蓋度在0.3～0.4 時(shí)，上下行質(zhì)差趨勢(shì)相關(guān)。

1.3.2 底噪（干擾）與丟包率

丟包率隨底噪抬升、干擾電平增加呈上升趨勢(shì)，線性強(qiáng)相關(guān)，如圖1 所示。

圖1 丟包率與上行底噪抬升（干擾）關(guān)聯(lián)圖

丟包產(chǎn)生的根源與下行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——重疊覆蓋率、上行底噪高、干擾大密切相關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋相關(guān)［3］。外場(chǎng)實(shí)地驗(yàn)證，因重疊覆蓋過(guò)大下行干擾占比30%，因上行干擾（含下行重疊覆蓋大、外部干擾影響）導(dǎo)致鏈路差丟包占比50%，弱覆蓋造成丟包占比達(dá)15%左右，高負(fù)荷及其他占比5%左右。

2 丟包優(yōu)化策略

按照系統(tǒng)性優(yōu)化思路，VoLTE 優(yōu)化體系及舉措按順序執(zhí)行如下。

2.1 確定重疊覆蓋貢獻(xiàn)大小區(qū)

采取如下方法處理重疊覆蓋貢獻(xiàn)大小區(qū)。

2.1.1 理論仿真

理想情況下，六邊形蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的重疊覆蓋區(qū)如圖2 所示。

圖2 理想網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的重疊區(qū)域

基于六邊形結(jié)構(gòu)，重疊覆蓋區(qū)域的面積等于扇形區(qū)域的面積減去三角形區(qū)域的面積的兩倍，重疊覆蓋區(qū)最大距離等于扇形的高減去三角形的高的兩倍［4］。根據(jù)以上推理，重疊覆蓋區(qū)最大距離是基站間距的0.15 倍，重疊覆蓋區(qū)域面積是小區(qū)覆蓋面積的17%。

之后分析如何能夠達(dá)到理想的重疊覆蓋區(qū)以及此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能。仿真參數(shù)設(shè)定為：FDD-LTE 1 800 MHz 頻段，19 個(gè)站點(diǎn)共57 個(gè)小區(qū)，基站間距400 m，站高30 m，鄰小區(qū)電平差3 dB，下傾角遍歷5～17°，其他參數(shù)選取默認(rèn)值。

仿真結(jié)果如表1 所示。從仿真結(jié)果來(lái)看，在相同的預(yù)置條件下，下傾角在12～14°時(shí)網(wǎng)絡(luò)綜合性能最佳。

表1 重疊覆蓋標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浞抡娼Y(jié)果

2.1.2 重疊覆蓋與CQI 關(guān)系

重疊覆蓋的定義為，在主服小區(qū)的電平大于-105 dbm 的情況下，測(cè)量樣本在大于等于“主服務(wù)小區(qū)電平-6 dB”的范圍內(nèi)，若存在大于等于3 個(gè)鄰區(qū)的接收信號(hào)，則認(rèn)為該樣本為重疊覆蓋樣本。

重疊覆蓋的嚴(yán)重等級(jí)劃分，主要依據(jù)滿足條件的鄰區(qū)數(shù)量。存在3 個(gè)滿足條件的鄰區(qū)的嚴(yán)重等級(jí)＜存在4 個(gè)鄰區(qū)的嚴(yán)重等級(jí)＜存在5 個(gè)鄰區(qū)的嚴(yán)重等級(jí)，等等。

通過(guò)分析鄰小區(qū)與主小區(qū)相差-6 dB 的鄰區(qū)數(shù)，隨著強(qiáng)干擾鄰區(qū)個(gè)數(shù)的增加，低階占比越來(lái)越高，表明重疊覆蓋度越高，嚴(yán)重影響下行信道的信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值。如表2 所示。

表2 重疊覆蓋與CQI 關(guān)聯(lián)分析

2.1.3 干擾貢獻(xiàn)計(jì)算方法

小區(qū)的干擾貢獻(xiàn)度用來(lái)衡量該小區(qū)對(duì)周邊其他小區(qū)的干擾貢獻(xiàn)情況。小區(qū)干擾貢獻(xiàn)度越大，說(shuō)明該小區(qū)對(duì)周邊其他小區(qū)的干擾越大。

小區(qū)干擾貢獻(xiàn)度的定義為：A/（A+B）。A為本小區(qū)作為主服務(wù)小區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)，B是與重疊覆蓋小區(qū)列表中該小區(qū)作為鄰區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)。小區(qū)的干擾貢獻(xiàn)度越高，說(shuō)明作為干擾鄰區(qū)的樣次數(shù)越多，相應(yīng)的重疊覆蓋就越嚴(yán)重。

調(diào)整天饋重疊覆蓋率高的問(wèn)題小區(qū)，降低重疊覆蓋度，提升質(zhì)量，降低網(wǎng)內(nèi)上下行干擾。隨著SINR 提升明顯，用戶邊緣丟包率下降60%以上?？湛谙滦衼G包率均值從0.36%降到0.18%，如圖3 所示。

圖3 覆蓋控制后空口下行丟包率效果

2.2 在小區(qū)覆蓋邊緣啟用頻選調(diào)度、COMP 功能

加強(qiáng)排查網(wǎng)絡(luò)外部干擾，在小區(qū)覆蓋邊緣啟用頻選調(diào)度、COMP 功能，具體措施如下。

（1）開(kāi)啟QCI1 上行NI 頻選調(diào)度功能。按小區(qū)級(jí)干擾情況，排列出可供語(yǔ)音業(yè)務(wù)使用的最佳子帶位置，保證語(yǔ)音業(yè)務(wù)能夠分配在最優(yōu)的子帶上，更能保證語(yǔ)音的調(diào)度。QCI1 上行NI 頻選開(kāi)通后，對(duì)比問(wèn)題小區(qū)調(diào)整前后指標(biāo)，上行丟包率由4%左右降為2.5%左右。如圖4 所示，效果改善明顯。

圖4 QCI 上行NI 頻選調(diào)度效果

（2）開(kāi)啟PUCCH IRC 增強(qiáng)。該功能可以提升PUCCH 的解調(diào)性能，提升上行遠(yuǎn)點(diǎn)用戶控制信道的抗干擾能力，降低控制信道誤檢率。

（3）開(kāi)啟PDCCH 自適應(yīng)功能。在PDCCH 干擾較大的情況下，通過(guò)PDCCH 自適應(yīng)功能，可以提升語(yǔ)音業(yè)務(wù)CCE 調(diào)整步長(zhǎng)，增加抗干擾性，減少DCI0 LOST 次數(shù)，降低丟包率。PDCCH 自適應(yīng)調(diào)整后，對(duì)比問(wèn)題小區(qū)調(diào)整前后指標(biāo)，下行丟包率由1.5%左右降為1.0%左右。

（4）COMP 是一種多點(diǎn)聯(lián)合發(fā)送與接收技術(shù)，其原理是在不同小區(qū)間通過(guò)協(xié)同處理干擾，避免干擾，或?qū)⒏蓴_轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)。

（5）在小區(qū)邊緣啟用硬頻率復(fù)用或軟頻率復(fù)用功能。

2.3 開(kāi)啟TTI Bundling、啟用eSRVCC 功能

TTI Bundling 是一種提高用戶在小區(qū)邊緣覆蓋的方法。啟動(dòng)該方法時(shí)，上行調(diào)度DCI0 一次授權(quán)之后，在4 個(gè)連續(xù)的上行子幀上傳輸同一個(gè)傳輸塊，充分利用4 個(gè)上行子幀發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)合并，并且，僅在第四次傳輸后有對(duì)應(yīng)的PHICH 反饋。此時(shí)反饋的為底層合并后數(shù)據(jù)的接收效果，利用合并增益增強(qiáng)數(shù)據(jù)可靠性。TTI Bundling 開(kāi)通后，對(duì)比問(wèn)題小區(qū)調(diào)整前后指標(biāo)，上行丟包率由2%左右降為1%左右。如圖5 所示，改善明顯。

圖5 TTI Bundling 調(diào)度效果

此外，可以基于專利《eSRVCC 功能配置方法、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和存儲(chǔ)介質(zhì)》，準(zhǔn)確定義3G 鄰區(qū)信息，解決VoLTE 覆蓋空洞問(wèn)題。基于質(zhì)量的eSRVCC 切換開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，對(duì)比問(wèn)題小區(qū)調(diào)整前后指標(biāo)，上行丟包率由4.0%左右降為2.0%左右，下行丟包率由18%左右降為12%左右。改善明顯。

AMR 自適應(yīng)功能是通過(guò)修改語(yǔ)音速率，增加語(yǔ)音對(duì)信道的適應(yīng)性。如果上行功率受限或者信道限制語(yǔ)音帶寬受限而無(wú)法保證語(yǔ)音速率，那么可以通過(guò)降低語(yǔ)音速率來(lái)保證語(yǔ)音質(zhì)量。例如在小區(qū)的邊緣，由于當(dāng)前信道質(zhì)量無(wú)法滿足語(yǔ)音編碼為23.85 kb·s-1的要求，則基站降低該VoLTE 用戶的編碼來(lái)適應(yīng)信道情況。功能打開(kāi)后，對(duì)比問(wèn)題小區(qū)調(diào)整前后指標(biāo)，上行丟包率由0.5%左右降為0.25%左右，下行丟包率由0.3%左右降為0.15%左右，改善明顯。

2.4 降低時(shí)延抖動(dòng)、延長(zhǎng)緩存時(shí)長(zhǎng)和丟棄時(shí)長(zhǎng)

QCI1 預(yù)調(diào)度在靜默期，外場(chǎng)有時(shí)候會(huì)配置80 ms 的上行調(diào)度請(qǐng)求（Scheduling Request，SR）周期。當(dāng)出現(xiàn)SR 漏檢時(shí)（高干擾導(dǎo)致），在較長(zhǎng)的SR 周期下，RTP 包非常容易出現(xiàn)棄包，因此在這種情況下，靜默期期間的預(yù)調(diào)度就產(chǎn)生了［5］。靜默期的預(yù)調(diào)度可以規(guī)避掉基站漏檢SR 出現(xiàn)的問(wèn)題，降低RTP 的棄包率。在高話務(wù)小區(qū)，由于調(diào)度資源緊張，不建議預(yù)調(diào)度周期配置過(guò)小。QCI1 預(yù)調(diào)度調(diào)整后，對(duì)比問(wèn)題小區(qū)調(diào)整前后指標(biāo)，上行丟包率由0.25%左右降為0.1%左右，下行丟包率由1.6%左右降為0.9%左右。改善明顯。

2.5 優(yōu)化切換參數(shù)、防止乒乓切換

乒乓切換會(huì)導(dǎo)致終端與基站之間頻繁地?cái)嚅_(kāi)與連接，不僅在基站側(cè)占用了較多的信令開(kāi)銷，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量也產(chǎn)生了很大的影響，進(jìn)而影響丟包率。

為防止乒乓切換，可對(duì)切換相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，具體優(yōu)化措施為：

（1）同頻切換幅度遲滯（Hys）從2 優(yōu)化為4；

（2）同頻切換時(shí)間遲滯從320 ms 優(yōu)化為640 ms；

（3）針對(duì)兩兩小區(qū)乒乓切換優(yōu)化，將同頻鄰區(qū)關(guān)系中A3 事件小區(qū)偏移量從0 調(diào)整為-2。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)用戶語(yǔ)音感知評(píng)價(jià)四要素（丟包、時(shí)延、抖動(dòng)、編碼）的研判分析，得出丟包是關(guān)鍵因素，而造成丟包的主要原因是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)重疊覆蓋高、上行干擾、弱覆蓋、乒乓切換和高負(fù)荷。針對(duì)每一項(xiàng)原因，結(jié)合日常優(yōu)化工作經(jīng)驗(yàn)，本文制定了具體的優(yōu)化解決措施，并取得明顯的效果，能夠?yàn)榻窈笳Z(yǔ)音用戶感知提升提供借鑒。